Отделка поверхности: объяснение гальванизации

Гальванопокрытие в настоящее время широко используется в электронной и электротехнической промышленности. Такие компоненты, как печатные платы, разъёмы и другие мелкие металлические детали, требуют гальванического покрытия. Стремительный рост телекоммуникационного сектора и постоянно растущий спрос на электронные устройства значительно расширили применение гальванопокрытия. В этой статье мы рассмотрим процесс гальванопокрытия и виды покрытий в зависимости от типа покрываемого металла.

Что такое гальваника?

Гальванизация — это процесс электролиза, в ходе которого на поверхность изделия наносится слой металла или сплава, образуя равномерное, плотное и прочное металлическое покрытие. В процессе гальванизации покрываемая деталь подключается к отрицательному полюсу источника питания, служащему катодом. Она погружается в раствор электролита, содержащий ионы осаждаемого металла. Анод обычно представляет собой пластину или стержень из осаждаемого металла. Однако в некоторых гальванических процессах используются также нерастворимые аноды, такие как графит, нержавеющая сталь, свинец или свинцово-сурьмянистые сплавы.

По способу нанесения гальванопокрытие можно разделить на стеллажное, барабанное, непрерывное и щёточное. Выбор метода зависит от размера и объёма производства покрываемых деталей.

Наиболее распространённым методом является гальванопокрытие на реечной стойке. Детали подвешиваются на высокопроводящей стойке и погружаются в гальванический раствор, служащий катодом. Этот метод подходит для деталей стандартных и крупногабаритных размеров, таких как велосипедные рули и автомобильные бамперы.

Гальванизация в барабане — ещё один распространённый метод, подходящий для мелкогабаритных деталей, производимых большими партиями. В процессе гальванизации детали помещаются в многоугольный барабан и контактируют с катодом внутри него под действием собственного веса.

Основной принцип гальваники

Покрываемая деталь помещается в гальваническую ванну, заполненную электролитом, и подключается к отрицательному полюсу (катоду) источника постоянного тока. Металл покрытия (или инертный материал, например, графит) также помещается в ванну и подключается к положительному полюсу (аноду).

При подаче тока ионы металла в гальваническом растворе мигрируют к катоду, получают электроны, восстанавливаются до атомов металла и затем осаждаются на поверхности детали, образуя покрытие. Поскольку гальваническое покрытие основано преимущественно на электрохимических принципах, необходимы три основных условия: разность потенциалов электродов, гальванический раствор (электролит) и источник тока.

Рассмотрим пример меднения: деталь служит катодом в гальваническом растворе, основным компонентом которого является сульфат меди, а анодом служит металлическая медь. При подключении постоянного тока ток проходит через электроды и электролит. Анионы и катионы в гальваническом растворе подвергаются электромиграции, то есть под действием электрического поля анионы перемещаются к аноду, а катионы — к катоду. Ионы меди (Cu2⁺) восстанавливаются и осаждаются на катоде, тогда как металлическая медь на аноде окисляется.

Химические реакции следующие:

• Катодная (заготовка) реакция (восстановление): Cu²⁺ + 2e^- → медь
• Анодная реакция (окисление): Cu – 2e^- → медь²⁺

Окончательное покрытие должно быть сплошным, однородным, плотным, соответствовать определенным требованиям по толщине, быть прочно связанным с основным металлом и обладать определенными физико-химическими свойствами для обеспечения эффективной защиты.

Факторы, влияющие на качество гальванопокрытия

На качество гальванического слоя влияет множество факторов. Среди них важнейшие: состав электролита, плотность катодного тока, температура и предварительная обработка поверхности.

Состав гальванического раствора

В состав гальванического раствора в основном входят следующие части:

Основная соль (первичная соль): Соль металла, содержащая ионы, которые будут осаждаться в качестве металла покрытия на катоде. Более высокие концентрации основной соли, при прочих равных условиях, облегчают осаждение металла, но уменьшают поляризацию катода, что приводит к образованию более крупных кристаллов в покрытии. Однако чрезмерно высокие концентрации снижают рассеивающую способность (диспергируемость) и стабильность раствора, а также увеличивают затраты на производство и переработку отходов. Напротив, очень низкие концентрации обеспечивают лучшую рассеивающую и кроющую способность, а также лучшую поляризацию катода, но приводят к плохой проводимости, снижению допустимой плотности тока, снижению выхода по току и низкой скорости осаждения. Поэтому концентрация основной соли должна находиться в соответствующем диапазоне, который варьируется в зависимости от конкретных требований применения.

Дополнительные соли (проводящие соли): Соли щелочных или щелочноземельных металлов (включая соли аммония), добавляемые, главным образом, для повышения электропроводности раствора. Эти соли также могут улучшить способность электролитического раствора к глубокому осаждению, рассеивающую способность и кроющую способность, что приводит к получению более тонкого и плотного покрытия. Примерами служат сульфат натрия и сульфат магния в ваннах для никелирования. Однако чрезмерное добавление солей может снизить растворимость основной соли и привести к помутнению раствора.

Комплексообразующие агенты: Вещества, способные образовывать комплексы с ионами металлов основной соли. Растворы без этих ионов называются односолевой ванной, которая, как правило, обладает низкой стабильностью, крупными кристаллическими зернами и более низким качеством покрытия. Добавление комплексообразователей увеличивает поляризацию катода, что приводит к более мелкой кристаллической структуре и способствует растворению анода. Если количество комплексообразователя превышает необходимое для комплексообразования ионов металлов основной соли, образуется бесплатно Комплексообразующие ионы. Слишком высокая концентрация свободных комплексообразующих ионов может снизить эффективность катодного тока, замедлить скорость осаждения или даже полностью предотвратить осаждение.

Буферные агенты: вещества, обычно представляющие собой слабую кислоту/соль или слабое основание/соль, используемые для поддержания кислотности или щелочности гальванического раствора в определённом диапазоне pH, необходимом для нормальной работы. Они помогают минимизировать колебания pH электролита.

Добавки: Небольшие количества органических веществ добавляются в гальваническую ванну для улучшения эксплуатационных свойств раствора и качества покрытия. Их можно классифицировать по назначению:

• Осветлители: усиливают блеск/глянец покрытия. Первичные осветлители часто содержат сульфонильные группы или ненасыщенные углеродные связи (например, сахарин). Вторичные осветлители обычно представляют собой альдегиды, кетоны, алкины, цианиды или гетероциклические соединения с ненасыщенными связями.
• Выравниватели: Значительно улучшают гладкость покрытия. Они обеспечивают большую толщину покрытия в микроскопических впадинах детали по сравнению с микроскопическими выступами.
• Смачивающие агенты (антипиттинговые агенты): снижают поверхностное натяжение между электродом и раствором, позволяя раствору легко растекаться по поверхности электрода. Они также способствуют отделению пузырьков газа от поверхности электрода, предотвращая образование микроотверстий в покрытии.
• Снижающие напряжение добавки: снижают внутреннее напряжение в покрытии, тем самым повышая его прочность.
• Измельчители зерна: способствуют формированию более мелкой и плотной кристаллической структуры в покрытии.

Плотность катодного тока

Оптимальная плотность катодного тока зависит от таких факторов, как состав электролитического раствора, концентрация основной соли, pH, температура и перемешивание.

Слишком низкая плотность тока снижает поляризацию катода, что приводит к грубому росту кристаллов или полному отсутствию покрытия.

Увеличение плотности тока (в определенных пределах) увеличивает поляризацию катода, что приводит к получению более тонкой структуры покрытия.

Чрезмерно высокая плотность тока приводит к быстрому росту кристаллов вдоль силовых линий в растворе, что приводит к образованию узелков (комков) или древовидных кристаллов (дендритов). Углы и края могут даже обгореть (обгореть). Высокая плотность тока также приводит к интенсивному выделению водорода на поверхности катода, повышая pH, что может привести к захвату основных солей металлов в покрытии и его почернению. Кроме того, это может вызвать пассивацию анода, что приводит к истощению ионов металла в растворе и потенциальному образованию рыхлого, губчатого покрытия. Каждая гальваническая ванна имеет свой идеальный рабочий диапазон плотности тока.

Температура

Температура играет решающую роль. Повышение температуры ускоряет диффузию частиц и дегидратацию ионов, увеличивает активность ионов и поверхности катода, а также снижает как диффузию, так и электрохимическую поляризацию. Следовательно, более высокая температура снижает поляризацию катода, что приводит к образованию более крупных кристаллических зерен. В производстве повышение температуры ванны часто применяется для повышения растворимости солей и электропроводности раствора. Температуру гальванизации необходимо тщательно контролировать, чтобы она оставалась в оптимальном диапазоне.

Предварительная обработка поверхности

Перед нанесением гальванического покрытия поверхность изделия должна быть предварительно обработана для удаления заусенцев, включений, остатков, смазки, окалины (оксидной пленки) и пассивирующих пленок. Правильная предварительная обработка обеспечивает получение чистой, активной поверхности основного металла, что необходимо для получения сплошного, плотного и прочного покрытия. Недостаточная предварительная обработка является основной причиной таких дефектов, как образование пузырей, отслоение, плохая адгезия, заусенцы и пятна.

Процесс гальваники

Процесс гальванопокрытия обычно включает три этапа: предварительную обработку поверхности перед нанесением покрытия, само гальванопокрытие и обработку после нанесения покрытия.

Предварительная обработка поверхности перед нанесением покрытия

Цель этого этапа — получение чистой, активной поверхности основного металла и её подготовка к нанесению высококачественного покрытия. Предварительная обработка включает в себя:

Шлифовка или полировка: для удовлетворения требований к шероховатости поверхности.

Обезжиривание: химические или электрохимические методы удаления масла и жира.

Удаление ржавчины/окалины: механический, кислотный или электрохимический методы.

Активация: как правило, кратковременное погружение в слабую кислоту для обеспечения химической активности поверхности.

Начать гальванизацию

Метод гальванизации различается в зависимости от формы, размера детали и объёма партии. Для деталей обычных или крупных размеров наиболее распространён метод гальванизации на стеллажах. Детали подвешиваются на высокопроводящей стойке, погружённой в гальванический раствор, служащий катодом, аноды располагаются по обеим сторонам.

Хороший контакт между стойкой и катодным стержнем имеет решающее значение. Плохой контакт может привести к контактному сопротивлению, особенно при сильноточном хромировании или декоративном покрытии с перемешиванием катода, что приводит к периодическим перебоям питания, что, в свою очередь, ухудшает адгезию покрытия и снижает его равномерность по толщине, что, в свою очередь, снижает коррозионную стойкость.

Для небольших деталей или больших объёмов производства применяется гальванизация в барабане. Детали помещаются в полигональный барабан и контактируют с внутренним катодом под действием собственной силы тяжести при вращении барабана, что способствует равномерному осаждению. Гальванизация в барабане экономит трудозатраты, отличается высокой производительностью, требует меньшего обслуживания оборудования, занимает меньше места и обеспечивает равномерное нанесение покрытия. Однако этот метод не подходит для слишком больших или очень лёгких деталей. Кроме того, гальванические ванны барабанного типа работают при более высоком напряжении, что приводит к более быстрому повышению температуры раствора и его большему уносу.

Гальванизация щётками применяется для локального нанесения покрытия или ремонта. Непрерывная гальванизация применяется для проволоки и полосовых материалов в крупносерийном производстве.

Обработка после покрытия

Этот этап включает пассивацию, снятие водородной хрупкости (дегидрирование) и полировку поверхности.

Пассивация проводится для повышения коррозионной стойкости покрытия, усиления его блеска и усиления его антикоррозийных свойств.

Устранение водородной хрупкости обычно представляет собой термическую обработку при определенной температуре в течение нескольких часов, чтобы предотвратить возникновение хрупкости детали из-за поглощения водорода во время нанесения покрытия.

Полировка поверхности — это финишная обработка покрытия с целью уменьшения шероховатости поверхности, достижения зеркального декоративного блеска и дальнейшего повышения стойкости к коррозии.

Виды гальваники

Распространенным способом классификации гальванопокрытий является классификация по металлу или сплаву покрытия, нанесенному на материал подложки.

Цинкование (Zn)

Цинкование в основном используется в качестве защитного покрытия для стали. Для стальных материалов цинк является анодным покрытием, обеспечивающим как электрохимическую (жертвенную), так и механическую защиту, что обеспечивает хорошую коррозионную стойкость. Защитная способность зависит от толщины и пористости покрытия: чем толще покрытие и чем меньше пористость, тем выше коррозионная стойкость. Толщина цинкового покрытия обычно составляет от 6 до 20 мкм, а для деталей, работающих в суровых условиях, требуется толщина более 25 мкм. Пассивация цинкового слоя увеличивает его защитную способность в 5–8 раз.

Растворы для цинкования подразделяются на щелочные (например, цианидные, цинкатные, пирофосфатные), нейтральные (например, хлоридные, сульфатные) и кислые (например, сульфатные, хлорид аммония). Благодаря низкой стоимости, хорошей коррозионной стойкости, эстетичности и длительному сроку хранения цинкование широко применяется в лёгкой промышленности, приборостроении, машиностроении, сельском хозяйстве и оборонной промышленности. Однако, поскольку цинк вреден для организма, он не подходит для пищевой промышленности.

Подробнее: Сравнение свойств | Цинкование и никелирование

Меднение (Cu)

Меднение применяется к таким базовым металлам, как цинк и железо. Медное покрытие на этих металлах является катодным. Если медный слой имеет дефекты, повреждения или поры, то базовый металл в агрессивной среде действует как анод, ускоряя его коррозию, часто быстрее, чем без покрытия. Поэтому однослойное медное покрытие редко используется в защитно-декоративных целях. Его часто используют в качестве подслоя (промежуточного покрытия) для улучшения адгезии последующих покрытий к базовому металлу. Толстые подслои меди в сочетании с тонкими слоями никеля могут уменьшить пористость никелевого слоя и сэкономить расход никеля. Медные слои также могут защитить локальные участки от науглероживания или азотирования, поскольку диффузия и проникновение углерода и азота в медь затруднены.

Существуют различные ванны для меднения, в том числе цианидные, сульфатные, пирофосфатные, цитратные, нитрилотриуксусной кислоты и фторборатные.

Хромирование (Cr)

Хром — серебристо-белый металл с лёгким синеватым оттенком. Он обладает превосходной химической устойчивостью в атмосфере благодаря сильной пассивации, образуя тонкую плотную оксидную плёнку. Хром устойчив в щелочах, азотной и серной кислотах, сульфидах и многих органических кислотах, но растворяется в галогеноводородных кислотах и ​​горячей концентрированной серной кислоте.

Хромирование Обладает превосходной коррозионной стойкостью, плохой смачиваемостью, гидрофобными и олеофобными свойствами. Он также обладает высокой твёрдостью, хорошей износостойкостью и термостойкостью. Его внешний вид и твёрдость практически не изменяются при нагревании на воздухе до 500 °C; окисление начинается выше 500 °C, а размягчение – выше 700 °C. Хром также обладает высокой отражательной способностью, уступая по этому показателю только серебру.

По области применения хромовые покрытия подразделяются на защитно-декоративные (тонкие, предотвращают появление ржавчины и улучшают внешний вид) и функциональные (обычно более толстые, применяются для повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и жаропрочности деталей машин). Функциональный хром подразделяется на твёрдый, молочный и пористый.

Состав раствора для хромирования относительно прост: основным компонентом является хромовый ангидрид (CrO₂), а не соль самого металла, а также небольшое количество катализаторов, таких как сульфат, фторид или фторосиликат. В качестве анодов обычно используются свинцовые сплавы. Хотя запас хромового ангидрида необходимо постоянно пополнять, шестивалентный хром (Cr(VI)) очень токсичен, поэтому в качестве альтернативы ему всё чаще используют трёхвалентный хром (Cr(III)).

Никелирование (Ni)

Никель обладает желтоватым серебристо-белым металлическим блеском и является ферромагнитным металлом. Никель обладает сильной пассивирующей способностью, образуя на воздухе тонкую пассивирующую пленку, что обеспечивает высокую химическую стабильность и стойкий, неизменный блеск поверхности. При комнатной температуре никель обладает хорошей коррозионной стойкостью к воздействию атмосферы, воды, щелочей, солей и органических кислот. Он медленно растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах, но быстрее – в разбавленной азотной кислоте. Он становится пассивным в дымящей азотной кислоте и не реагирует с сильными щелочами.

Электродный потенциал никеля более положительный, чем у железа, что делает его катодным покрытием для железа. Поэтому он обеспечивает хорошую защиту стальной подложки. Важно когда покрытие полностью и безупречно. Поскольку никелевые покрытия, как правило, обладают некоторой пористостью, их часто используют в многослойных системах с другими металлами для повышения коррозионной стойкости, при этом никель служит подслоем или промежуточным слоем для уменьшения пористости (например, комбинации Cu/Ni/Cr или Ni/Cr).

Никелевые покрытия подразделяются на защитно-декоративные и функциональные.

Защитно-декоративное никелирование применяется для защиты от коррозии низкоуглеродистой стали, цинкового литья под давлением, а также некоторых алюминиевых и медных сплавов. Яркий декоративный эффект достигается полировкой полублестящего никеля или непосредственным нанесением блестящего никеля. Поскольку никель легко тускнеет в атмосфере, для повышения коррозионной стойкости и эстетического вида поверх блестящего никеля часто наносят тонкий слой хрома.

Функциональное никелирование в основном используется для ремонта изношенных, корродированных или слишком больших по размеру деталей. Толщина таких покрытий обычно превышает необходимую, а затем механически обрабатывается до заданных размеров.

Основными солями, используемыми при никелировании, являются сульфат никеля и хлорид никеля.

Гальваническое покрытие сплавов

Гальваническое покрытие сплавами — это метод улучшения характеристик покрытий, позволяющий создавать сотни видов покрытий с разнообразными свойствами. Этот метод высокоэффективен для решения задач, связанных с декорированием, коррозионной стойкостью, износостойкостью, магнитными свойствами, паяемостью и электропроводностью.

Сплавы, полученные гальваническим методом, обладают уникальными характеристиками по сравнению со сплавами, полученными методом термической плавки:

1. Могут быть получены сплавы, состоящие из тугоплавких и легкоплавких металлов.
2. Могут быть получены сплавы, отсутствующие на фазовой диаграмме термического плавления.
3. Могут быть получены аморфные сплавы, обладающие большой плотностью и превосходными свойствами.
4. Могут быть получены сплавы, которые трудно осаждать в виде отдельных металлов из водных растворов.
5. При определенных контролируемых условиях можно преимущественно осаждаться металлы с более отрицательными потенциалами.

Покрытия из сплавов классифицируются по элементу с наибольшей концентрацией (например, сплавы на основе меди, серебра, цинка, никеля). Сплав меди с оловом широко используется благодаря низкой пористости, хорошей коррозионной стойкости, лёгкости полировки и возможности прямого хромирования. Цианидное покрытие сплавом меди с оловом часто используется, поскольку состав и цвет покрытия легко контролировать, а раствор обладает хорошей рассеивающей способностью. Однако существенным недостатком является использование большого количества высокотоксичного цианида, что требует строгих мер безопасности.

О нас Getzshape

Хотите воплотить в жизнь свой проект? В Getzshape мы упрощаем процесс быстрого прототипирования. Просто загрузите свои 3D-проекты и/или 2D-чертежи, и в течение 24 часов вы получите быстрое предложение на изготовление деталей по индивидуальному заказу, например, штифтов. Наша опытная команда поможет вам выбрать оптимальный материал и производственные процессы для вашего проекта. Свяжитесь с нами сегодня, и мы воплотим ваши смелые идеи в жизнь!